大长径比微细轴的车削工艺研究

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前言
  J5 F: _* w* f1 {近年来，随着MEMS技术研究的日益成熟，开发研制MEMS产品需要高效率的微器件加工技术，因此，微加工技术正受到日益普遍的关注。在诸如计算机、微电子仪表及激光聚变(ICF)等领域对Ø0.1mm以下微细轴的需求越来越急迫。同时如喷墨打印机的墨水喷头、电子枪及ICF物理诊断设备均需要微米级的微细孔，而这些孔通常以微细轴为工具采用电火花成形或超声波加工而成。目前见诸报道的微米级微细轴加工方法主要是电火花加工、电解加工，超声振动磨削以及LIGA等特种加工方法。这些方法的共同问题是效率低下、设备昂贵、工艺较复杂和对操作人员技术要求高，阻碍了微器件加工的发展。而传统的切削加工技术发展较成熟，是否可以在微器件加工中发挥作用呢？该方面的文献报道很少。在高温高密度等离子体国防科技重点试验室的支持下，以紫铜为工件材料，通过一系列试验，探讨了微细长轴的精密车削加工技术，结果证明精密车削技术在微米级细长轴的加工方面有其独特的优势。
表1 刀具角度与产品表面质量关系试验
2 T6 o1 ]( S0 N& w! ^) |7 u, m序号
* }/ q5 \1 a- N9 B, u4 B' t刀具角度
# N( @  Q- f% j+ r& S前角g0
(°)
后角a0
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1 微细轴车削加工用车刀设计
. `  B5 x+ a* s  X; o! t) M微细轴长径比较大，刚性差，对于切削力、振动和切削温度十分敏感。车削加工时，很容易产生弯曲变形和振动，给切削加工带来一系列的困难，使几何形状精度和表面质量得不到保证。影响微细轴加工精度的主要因素包括：切削力、切削热变形、刀具热变形、内应力以及刀具安装高度误差等引起的误差。而上述因素均与刀具的材料，刀具参数主偏角Kr、副偏角K'r、前角g0、后角a0、切削刃刃口半径r和刀尖圆弧半径几有关。
& J+ i5 e$ a" W+ u7 G通过分析资料，试验采用人工合成单晶金刚石作为刀具材料。通过如表1的系列试验，分别得到理想的金刚石刀具参数如表2。试验条件如下，切削参数：n=2500r/min, f=0.3mm/min, ap=0.02mm; 加工材料为Ø40µm×500µm的紫铜，车刀是刀尖为两条切削刃相交为一点的尖刀。
2 试验结果及讨论
7 V# H$ ~1 M; c3 I! u试验系统组成
微细轴的加工试验在精密数控车床上进行。由于微细轴的尺寸只有数十微米，眼睛直接观察很困难。为此在精密数控车床上加装了一套显微观测系统，其结构框图见图1所示。
. @5 Q7 s$ O) C; q! f
+ A( ]9 V, \9 B, I& |  w, ^+ B图1 显微观测系统结构框图

% W9 v' o8 \4 f& Q图2 进给量对微细轴表面粗糙度的影响
8 z# k9 q) n- q7 b% \$ b- t( X
: F9 I1 ^" f9 W% ^% y图3 背吃刀量对微细轴表面粗糙度的影响
5 b% Y3 l# M) a1 Z
$ B8 K" R4 I' c9 Q8 b# W+ |: Z图4 主轴转速对表面粗糙度的影响

9 H1 a; Y6 V! z3 b图5 端部直径为7µm微细轴

图6 直径19µm的微孔

+ z% k" i' v  Y图7 微细长轴的SEM照片
* t0 z- A# g# {6 G4 x/ j/ q图7所示为车削的公称直径20µm、长1mm微细长轴的扫描电子显微镜(SEM)照片。图8所示为在扫描电子显微镜下，放大至2480倍时观察到的头部、中部及根部的微细结构。SEM测量结果：头部直径18.5µm、中部直径18.9µm、根部直径19.7µm，平均直径19µm。长度实测值为1030µm，在此范围内直径值相差1.2µm，长径比约为55。精加工时间只需约2.5min，与电火花加工相比具有更高的加工效率。

2 f% ~' F  i0 p2 i5 Z4 V  K(a)
7 f4 `# q( W% D4 O
: g8 a! K6 g5 j(b)

(c)
/ u0 X& T4 ?$ ]4 ^1 A图8 头部、中部及根部的微细结构 ×2480

图9 不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径
0 v. m5 K; j7 I在车削微细轴的基础上，还进行了微细螺纹车削技术的研究。采用与车削微细轴相同的刀具，只是在刀具安装时需要转动16.5°，实现螺纹刀具有相等的主、副偏角。其他切削条件与车削微细轴相同。首先，对主轴在不同转速下螺纹的切削质量进行了试验。在转速n=500r/min时切削的螺纹，经光学测量显微镜观测发现螺纹表面粗糙，而且螺纹的实际高度参差不齐。转速提高至n=2000～3000r/min后，切削的螺纹轮廓清晰，其尺寸指标与设定值基本吻合。因此，在微细螺纹加工过程中，需要有较高的转速。然后对螺距为10µm的微细螺纹的极限尺寸进行试验。切削参数：主轴转速n=2000r/min，背吃刀量ap=1～2µm，进给量采用了f=5mm/min。图9给出了在不同的螺纹长度时所能达到的最小螺纹内径。从图中可以看出，随着加工螺纹长度的缩短，所能达到的最小螺纹内径也随之减小。
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图10 内径为36.6µm、螺距为10µm的螺纹